一种曳尾式微悬臂梁结构及样品弹性模量测量方法技术

本发明专利技术提供一种曳尾式微悬臂梁结构及样品弹性模量测量方法，所述微悬臂梁结构包括固定端和自由端，其中固定端与微悬臂梁结构的基底相连接，远离所述固定端的另一端没有约束条件，成为自由端；在所述固定端和自由端之间形成大矩形梁，所述大矩形梁具有相对于其长度方向中心线对称的矩形的中心开口，所述中心开口的开口端位于所述固定端；所述自由端形成小矩形梁的固定端；所述小矩形梁位于大矩形梁的中心开口内，且与所述大矩形梁的中心开口的两侧均具有间隙；两侧的所述间隙是相等的。在合适的尺寸组合下，能够在一定接触刚度范围内得到频率随接触刚度基本不变的曳尾式微悬臂梁用于样品弹性模量测量，相对于传统方法大幅提高速度。速度。速度。

【技术实现步骤摘要】
一种曳尾式微悬臂梁结构及样品弹性模量测量方法


[0001]本专利技术属于亚表面成像、材料属性成像和弹性模量成像领域，具体涉及一种曳尾式微悬臂梁结构及样品弹性模量测量方法。

技术介绍

[0002]纳米材料的检测和表征正在吸引越来越多研究者的兴趣。原子力显微镜(atomic force microscopy，AFM)已经成为一种获取材料纳米信息的强有力技术。自从20世纪80年代被专利技术以来，原子力显微镜不断的完善改进，已经能够对电学、力学、化学、电动力学、电化学材料进行纳米级的成像，促进了材料科学、物理学、化学以及生命科学等学科的发展。原子力显微镜功能多样，在对样品表面形貌成像的过程中，不对样品的导电性、磁性做出要求，而且在不损伤样品的情况下实现纳米级的成像，比如对半导体器件的形貌成像，对细胞、病毒等生物样品形貌成像等常常使用原子力显微镜。除了基本的样品表面形貌成像功能之外，原子力显微镜能够使用探针压入样品表面，从而获得样品相应的材料属性信息，比如说弹性模量，原子力显微镜因此拥有了力学测量的能力。对于样品表面之下的隐藏物，由于光线不能穿透样品表面，光学显微镜无法获得亚表面的信息，原子力显微镜则可以通过超声激励的方式，利用超声对样品激励后返回的信息进行亚表面成像，亚表面成像的能力也让原子力显微镜在芯片内部缺陷检测过程中大放异彩，这种无损的检测有力的助推了半导体产业的发展。
[0003]在原子力显微镜的原理中，通过对微悬臂梁背面反射激光的分析来得到样品的有关信息。在接触模式工作下，针尖与起伏的样品表面接触，样品表面形貌的变化会引起接收到激光的变化，同时样品材料属性的变化也会轻微的引起接收到激光的变化。在接触共振原子力显微术的工作模式中，样品材料属性的变化会引起接收到激光的变化，同时样品表面起伏形貌的变化也会轻微的引起接收到激光的变化。在原子力显微镜工作过程中，样品表面形貌和样品材料属性这两种因素耦合在一起的，彼此之间串扰，造成成像结果中的伪像，给成像结果的分析带来干扰。
[0004]原子力显微镜对材料属性的成像可以使用超声原子力显微术的工作方式，这种工作方式中，探针的针尖插入样品之中，在外加激励的作用下，微悬臂梁针尖以及样品一起振动，通过对振动过程中频谱的分析，我们得到样品的有关信息。然而，对于不同材料属性的样品，共振峰频率是不一样的。
[0005]如图1a所示为一两相材料，其由材料B内嵌生长于基体材料A形成岛状结构。此类材料多见于两相及多相聚合物材料，其不同相间存在明显的力学性能差异。这一力学性能差别将导致在接触共振原子力显微术成像中，当探针作用于不同相材料时，其接触共振频谱的偏移。如图1b所示，当内嵌材料B相较基体材料A具有更大的弹性模量时，探针接触共振频谱将超高频方向发生明显偏移。同时，若其具有更小的阻尼损耗时，探针接触共振频谱品质因子Q值亦将明显增大，导致两种材料上接触共振频谱形状的较大差别。此时，当接触共振原子力显微术成像过程中采用不同激励频率时，可以很容易根据图1b中频谱分别确定不
同相材料在该成像频率下的振幅，从而亦可判断两种材料在成像结果中的振幅衬度大小。当按图中所示自左至右五种激励频率进行成像时，即可确定振幅成像结果将如图1c所示。可以发现，随着激励频率的改变，不仅成像衬度绝对值大小(即图像对比度)将发生变化，而且两种材料间相对衬度亦会在某频率点(即图1b中两频谱交叉点)左右发生衬度反转的现象。
[0006]为了准确的定量成像，一般的解决方法是使用扫频操作，图像每一点都进行扫频操作，非常耗时。曳尾式悬臂梁在合理的设计之下，频谱中可以出现不随着材料属性变化而变化的共振峰频率，因此分析共振振幅等信息就可以快速的实现定量的力学量测量。

技术实现思路

[0007]目前原子力显微镜遇到的两个技术问题，一是成像过程中表面形貌成像和样品材料属性两个因素之间的耦合，彼此串扰，二是在超声原子力显微术力学量定量成像过程中，图像每一点都进行扫频操作，非常耗时。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种曳尾式微悬臂梁结构，具体采用如下技术方案：
[0009]一种曳尾式微悬臂梁结构，包括固定端和自由端，其中固定端与微悬臂梁结构的基底相连接，远离所述固定端的另一端没有约束条件，成为自由端；在所述固定端和自由端之间形成大矩形梁，其具有长度L,宽度W,厚度T，所述大矩形梁具有相对于其长度方向中心线对称的矩形的中心开口，所述中心开口的开口端位于所述固定端；所述自由端形成小矩形梁的固定端，所述小矩形梁具有长度l,宽度w,厚度t；所述小矩形梁位于大矩形梁的中心开口内，且与所述大矩形梁的中心开口的两侧均具有间隙；两侧的所述间隙是相等的，具有间隙宽度gap；所述微悬臂梁结构呈上下对称；
[0010]所述小矩形梁厚度t与大矩形梁的厚度T之比越小，频率随接触刚度的变化越小；所述小矩形梁的长度l与小矩形梁位置之比越大，频率随接触刚度的变化越小；所述小矩形梁的宽度w与平行悬臂宽度之比越小，频率随接触刚度的变化越小；其中，小矩形梁位置position为从所述固定端到小矩形梁的固定端的长度；平行悬臂宽度为W
‑
2*gap
‑
w；所述微悬臂梁结构在一定接触刚度范围内使得频率随接触刚度基本不变，从而用于样品弹性模量测量。
[0011]本专利技术还提供一种基于上述曳尾式微悬臂梁结构的样品弹性模量测量方法，具体包括以下步骤；
[0012]S1，在所述曳尾式微悬臂梁的自由状态下使用设计频率激励，选取合适的激励振幅并记录；检测所述曳尾式微悬臂梁的自由状态，并记录下初始自由振幅；
[0013]S2，使所述曳尾式微悬臂梁在合适作用力下使用设计频率激励接触标准样品，记录标准样品下的作用力以及接触振幅，校准初始自由振幅、对标准样品的作用力以及接触振幅与弹性模量之间的数学关系；
[0014]S3，使所述曳尾式微悬臂梁在合适作用力下使用设计频率激励接触待测样品，记录待测样品下的作用力以及接触振幅；
[0015]S4，把初始自由振幅、对待测样品的作用力以及接触振幅带入数学关系得到待测样品的弹性模量。
[0016]本专利技术具有以下有益效果：
[0017](1)本专利技术解耦样品表面形貌和样品材料属性这两种因素之间的串扰，使得测量更准确。
[0018](2)本专利技术使用固定频率快速地对材料属性进行定量成像，相对商用矩形梁扫频的操作，能够显著快速地提高成像速度。
[0019](3)本专利技术的曳尾式微悬臂梁可以对样品的材料属性比如弹性模量进行测量。
[0020](4)本专利技术的曳尾式微悬臂梁结构的设计中小矩形梁和整体矩形梁的厚度一致，极大的方便了工艺加工过程。
[0021](5)无论是探针激励还是样品激励，曳尾式悬臂梁的接触共振振幅与激励振幅呈线性关系。
附图说明
[0022]图1为现有技术缺陷说明图；其中，图1(a)为两相材料示意图；图1(b)为两种材料频谱示意图；图1(c)为五种频率的成像示意图；
[0023]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种曳尾式微悬臂梁结构，其特征在于：包括固定端和自由端，其中固定端与微悬臂梁结构的基底相连接，远离所述固定端的另一端没有约束条件，成为自由端；在所述固定端和自由端之间形成大矩形梁，其具有长度L,宽度W,厚度T，所述大矩形梁具有相对于其长度方向中心线对称的矩形的中心开口，所述中心开口的开口端位于所述固定端；所述自由端形成小矩形梁的固定端，所述小矩形梁具有位置position，其为从所述固定端到小矩形梁的固定端的长度，所述小矩形梁具有长度l,宽度w,厚度t；所述小矩形梁位于大矩形梁的中心开口内，且与所述大矩形梁的中心开口的两侧均具有间隙；两侧的所述间隙是相等的，具有间隙宽度gap；所述微悬臂梁结构相对于其长度方向中心线对称；所述小矩形梁的厚度t与大矩形梁的厚度T之比越小，频率随接触刚度的变化越小；所述小矩形梁的长度l与小矩形梁位置position之比越大，频率随接触刚度的变化越小；所述小矩形梁的宽度w与平行悬臂宽度之比越小，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周成刚，杨旭，马成福，王秀霞，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：